Application note AN-001

MISURA E TARATURA DI FILTRIEsempio pratico di verifica e accordo di filtri a costanti concentrate e

distribuite con analizzatore di reti scalare

IV3XXE Andrea SpagnolIW3SQT Franco Milan

Indice.

1. Introduzione

2. Richiami su topologie e caratteristiche dei filtri

3. Filtri a costanti concentrate

4. Esempio: filtro passa - banda per i 70 cm

5. Variazioni di taratura del filtro per i 70 cm

6. Filtri a costanti distribuite

7. Esempio: filtro passa - banda microstrip per i 23 cm

8. Variazioni di taratura del filtro per i 23 cm

9. Conclusioni

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1. IntroduzioneNelle apparecchiature a radiofrequenza i filtri svolgono molte funzioni fondamentali, quali ad esempio:

- riduzione delle armoniche alluscita dei trasmettitori- selezione dellarmonica desiderata negli stadi moltiplicatori di frequenza- eliminazione dei segnali non desiderati allingresso dei ricevitori

Anche disponendo di apparati di buone caratteristiche, esistono situazioni nelle quali un filtro aggiuntivo esterno pu dare vantaggi per la ridurre lintermodulazione causata da forti segnali interferenti.Per realizzare filtri di buone caratteristiche, serve una strumentazione in grado di verificarne la risposta in frequenza; per i casi pi semplici un generatore con un rivelatore pu essere sufficiente per la taratura, ma nella maggior parte dei casi serve qualcosa in grado di misurare contemporaneamente il R.O.S. e la perdita di inserzione; per far fronte a queste ed altre esigenze, Elad ha realizzato lanalizzatore di reti scalare SNA 2550 che copre il range di frequenza da 0,4 a 2.500 MHz.E uno strumento PC based, cio viene controllato da un PC dotato di un software specifico.Per fornire una serie di indicazioni specifiche per la realizzazione e la taratura di filtri, presenteremo nel seguito alcuni esempi applicativi.In particolare, saranno descritte la costruzione e le misure effettuate su due filtri:

- un filtro LC ad alta selettivit per i 435 MHz- un filtro microstrip compatto per i 1296 MHz

Per completare la trattazione, saranno anche richiamate brevemente alcune definizioni relative allargomento filtri.

2. Richiami su topologie e caratteristiche dei filtriI filtri possono essere classificati secondo vari criteri.La prima possibile classificazione si basa sulla funzione circuitale dei filtri; le possibili funzioni sono:

Passa bassoil filtro attenua le frequenze al di sopra della frequenza di taglio

Passa altoil filtro attenua le frequenze al di sotto della frequenza di taglio

Passa bandail filtro attenua le frequenze al di sopra della frequenza di taglio superiore e al di sotto della frequenza di taglio inferiore

Stoppa bandail filtro attenua le frequenze al di sotto della frequenza di taglio superiore e al di sopra della frequenza di taglio inferiore

Una seconda classificazione pu essere fatta secondo il tipo di funzione matematica descrivente la risposta: Tchebyscheff:

la risposta in banda presenta delle leggere ondulazioni, consentendo di aumentare la ripidit di taglio nelle frequenze appena fuori banda

Butterworth:la risposta in banda presenta la massima piattezza, consentendo di ottenere il minimo R.O.S. in banda passante

Bessel:la risposta in banda ha una transizione graduale verso il fuori banda, consentendo di minimizzare la distorsione di fase (importante per la trasmissione dati ad alta velocit o per segnali video)

Ellittico:la risposta fuori banda presenta dei punti di massima attenuazione per la presenza di notch, consentendo di ottenere una notevole ripidit di taglio nelle frequenze appena fuori banda, a prezzo di una attenuazione non elevata alle frequenze molto fuori banda

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Una terza classificazione pu essere fatta secondo il tipo di componenti utilizzati per la realizzazione del filtro:

Filtri a costanti concentratesono realizzati con componenti reattivi standard, cio induttanza e capacit (tra le induttanze vanno compresi anche i trasformatori), ed eventualmente resistenze

Filtri a costanti distribuitesono realizzati con linee di trasmissione (in forma di linee coassiali, microstrip, stripline, guide donda o strutture simili), in cui i parametri di induttanza e capacit sono distribuiti in tutti i punti della struttura; sono ovviamente possibili anche filtri con strutture miste

Filtri attivisono realizzati con elementi passivi (preferibilmente a costanti concentrate, spesso resistenze e condensatori) e circuiti amplificatori, opportunamente collegati in modo da incrementare la selettivit degli elementi passivi ed eventualmente ottenere anche un po di guadagno

Parametri dei filtri: Frequenza di taglio

frequenza che separa la banda passante (frequenze che attraversano il filtro con bassa attenuazione) dalla banda attenuata; per i filtri passa banda esistono due frequenze di taglio, inferiore e superiore

Attenuazione in banda passanteattenuazione dei segnali con frequenze comprese nella banda passante dovuta alladattamento di impedenza non perfetto e alle perdite resistive dei componenti passivi

Attenuazione fuori bandaattenuazione dei segnali con frequenze al di fuori della banda passante dovuta al disadattamento di impedenza (meccanismo normalmente usato per ottenere la funzione di filtraggio) o alla potenza deviata su terminazioni resistive interne al filtro (filtri adattati in impedenza anche fuori della banda passante)

Fattore di formarapporto tra la banda passante (a 3 o 6 dB) e la banda ai cui estremi lattenuazione raggiunge un valore elevato (normalmente 60 dB); pi basso questo valore, pi il filtro selettivo

Risposte spuriefrequenze fuori della banda passante alle quali lattenuazione molto minore di quella normalmente presentata dal filtro a frequenze lontane dalla banda passante

Distorsione di fase e ritardo di gruppovariazione non lineare con la frequenza della differenza di fase tra ingresso e uscita; il ritardo di gruppo si definisce come la derivata della fase rispetto alla frequenza

Bibliografia:Matthaei, Young, Jones Microwave filters, impedance matching networks, and coupling structures McGraw Hill 1964R. Rhea HF Filter Design and Computer Simulation Noble 1994Liberatore, Parente Filtri a Microonde Tecniche Nuove 1990

3. Filtri a costanti concentratePer frequenze fino a circa 300 MHz la realizzazione pi conveniente per dimensioni, costo e prestazioni risulta essere quella a costanti concentrate,; oltre i 3 GHz sono invece generalmente preferibili filtri a costanti distribuite; per la fascia da 300 a 3.000 MHz, si deve valutare caso per caso.Per ottenere le massime prestazioni da un filtro, occorre utilizzare componenti con un elevato fattore di merito Q; questo significa preferire:

- per i condensatori i tipi con dielettrico NPO (o COG) se ceramici; per prestazioni ancora maggiori usare i tipi con dielettrico in porcellana o i variabili con dielettrico in aria

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- per le induttanze in aria il filo di rame argentato e diametri delle spire relativamente elevatiNei casi in cui si desiderano ottenere bande passanti molto strette (1 % o meno) e risposte fuori banda molto ripide, conviene usare filtri con numero elevato di risuonatori (4 o pi), pi complessi da costruire e tarare rispetto a filtri pi semplici ma migliori come maggiore selettivit e minori perdite di inserzione.Nel seguito si descriver un filtro relativamente semplice ma con discrete prestazioni, a 2 risuonatori e con accoppiamento magnetico, una configurazione molto comune nei filtri di canale per applicazione nei filtri di canale dei centralini TV.

4. Esempio: filtro passa-banda per i 70 cmCome esempio di filtro a costanti concentrate presenteremo la realizzazione e le prestazioni di un filtro passa banda per i 70 cm; lobiettivo un filtro destinato a essere usato in uscita a un pre amplificatore o a un driver di trasmissione, essendo in grado di sopportare una potenza di circa 1 W.La configurazione scelta si compone di due accordi L C con condensatori variabili multigiri ad alto Q e con accoppiamenti induttivi (accoppiamento magnetico tra i due accordi e induttanze di accoppiamento e adattamento su ingresso e uscita).Componenti usati:

- bobine di accordo: 2 spire di filo argentato da 1 mm con diametro interno 4 mm- bobine di accoppiamento e adattamento: 10 spire di filo argentato da 0,5 mm con diametro

interno 4 mm- condensatori variabili: multigiri con dielettrico aria 0,8 10 pF

La distanza tra le bobine di accordo di circa 10 15 mm (varia secondo laccoppiamento che si vuole ottenere).La costruzione relativamente semplice con una scatola di lamiera stagnata con due connettori BNC (vedere figure 1 e 2).Con bobine di accordo di diametro maggiore si potrebbe ottenere una perdita in banda leggermente migliore, ma per lo scopo di questo articolo, il modesto miglioramento non cambierebbe la validit dei concetti esposti.

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Figura 1: foto filtro L C per i 435 MHz vista lato connettori

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Le prestazioni ottenute sono buone, anche se inferiori ovviamente a quanto ottenibile con filtri in cavit; una attenuazione di circa 10 dB a circa 10 MHz dal centro banda sufficiente per ridurre in modo apprezzabile lintermodulazione generata dai segnali di forte intensit presenti nelle bande vicine, i 460 MHz dei ponti radio civili e la banda IV dei trasmettitori TV (curva di risposta ottenuta visibile in figura 3).

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Figura 3: risposta misurata filtro L C per i 435 MHz con basso accoppiamento

Figura 2: foto filtro L C per i 435 MHz vista lato opposto ai connettori

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5. Variazioni di taratura del filtro per i 70 cmPer dimostrare leffetto della variazione della distanza tra le bobine di accordo, si riportano i risultati della misura ottenuti avvicinando di qualche millimetro le due bobine.Come si pu vedere, la banda passante diventa pi ampia e la forma del R.O.S. presenta una insellatura al centro della banda, tipica di un accoppiamento stretto.Lattenuazione a centro banda rimane circa la stessa della configurazione con banda pi stretta; ritoccando le induttanze di adattamento si potrebbe migliorare leggermente la perdita di inserzione (nuova curva di risposta ottenuta visibile in figura 4).

6. Filtri a costanti distribuitePer frequenze elevate, diventa conveniente usare una tecnica di costruzione a costanti distribuite.In particolare, utilizzando elementi microstrip realizzati su circuito stampato in vetronite, si possono realizzare filtri molto economici e con perdite accettabili.La selettivit ottenibile modesta e quindi non adatta per filtri ripidi, ma per molte applicazioni (come ad esempio negli stadi moltiplicatori di basso ordine) rappresentano una soluzione adeguata.Le configurazioni utilizzabili sono pressoch infinite e questo pu creare qualche incertezza nella scelta del circuito pi adatto alla singola applicazione.La scelta caduta su una configurazione con due risuonatori parallelo caricati capacitivamente e adattamento di impedenza con collegamento in presa; i condensatori di accordo consentono di spostare leggermente la frequenza di risonanza e di conseguenza di compensare le tolleranze di fabbricazione, sia delle dimensioni che le posizioni delle microstrip, come pure per la costante dielettrica della vetronite.

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Figura 4: foto filtro L C per i 435 MHz con accoppiamento incrementato

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7. Esempio : filtro passa banda microstrip per i 23 cmIl secondo esempio si riferisce a un filtro a due risuonatori realizzato con microstrip su circuito stampato in vetronite doppia faccia di spessore 1,6 mm e destinato a essere usato come filtro di attenuazione delle armoniche in una catena di moltiplicazione con uscita in banda 23 cm.La selettivit non elevata ma il circuito semplice e si possono usare due filtri in cascata con in mezzo un amplificatore con un minimo di selettivit, ottenendo una risposta complessiva adeguata.La configurazione si compone di due linee accoppiate usate come risuonatori e caricate capacitivamente per ridurre la lunghezza e permettere una limitata possibilit di variazione di sintonia, in grado di compensare le tolleranze delle dimensioni delle microstrip, nella costante dielettrica del circuito stampato e nei valori delle capacit di accordo.Ladattamento di impedenza ottenuto tramite una inserzione in presa con microstrip da 50 ohm.Altro vantaggio importante di questa configurazione una agevole simulazione al computer.Il circuito stampato ottenuto tramite incisione casalinga dopo aver disegnato le microstrip con un programma di CAD meccanico; le dimensioni dello stampato sono di circa 5,6 X 2,7 cm.Le due facce di massa sono collegate tramite una serie di fori, posti nei punti importanti per le chiusure di massa, ossia vicino ai condensatori di accordo e alle connessioni di massa delle microstrip di accordo; i connettori di ingresso e uscita sono saldati su entrambi i lati del circuito stampato.In figura 5 riportato lo schema elettrico del circuito; in figura 6 riportata la risposta in frequenza ottenuta con un simulatore RF; in figura 7 riportata la risposta in frequenza misurata; in figura 8 riportata la foto del circuito.

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Figura 5: schema filtro in microstrip per i 23 cm

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Figura 6 risposta simulata del filtro in microstrip per i 23 cm

Figura 7: risposta misurata del filtro in microstrip per i 23 cm

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8. Variazioni di taratura del filtro per i 23 cmPer mostrare le possibilit di taratura del filtro prima descritto, i condensatori di accordo sono stati ottimizzati per una frequenza di centro banda di 1152 MHz (frequenza usata in alcune catene di moltiplicazione usate nei transverter per le banda oltre 1 GHz).Con condensatori di valore 1,0 pF, si ottiene la risposta illustrata nella figura 9; come si vede, la risposta rimane buona, con una curva simmetrica e un R.O.S. Basso.Si potrebbe anche provare a sintonizzare il filtro su frequenze pi alte, fino a circa 1500 MHz, ma probabilmente la risposta sarebbe meno soddisfacente a causa del ridotto carico capacitivo.

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Figura 8: foto del filtro in microstrip per i 23 cm

Figura 9: filtro centrato a 1152 MHz con condensatore da 1,0 pF

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9. ConclusioniIn questo articolo sono stati descritti due filtri e la loro realizzazione e si sono mostrati i risultati di misura ottenuti con lanalizzatore di reti Elad SNA 2550.Dai grafici presentati, si pu vedere che luso di questo strumento permette una adeguata dinamica e precisione di misura, consentendo la verifica e la taratura di filtri anche di alte prestazioni con costi ridotti.Per chi volesse realizzare filtri con prestazioni maggiori, questi possono essere alcuni utili consigli:

- per il filtro LC: usare bobine con diametro maggiore usare un maggior numero di risuonatori; in questo caso la posizione delle bobine di

accordo ottimale diventa difficile da individuare e pu essere utile montare degli schermi tra le bobine, variandone la dimensione senza spostare le bobine

- per il filtro microstrip: usare un materiale migliore per il circuito stampato come ad esempio teflon o altri

intermedi tra questo e la normale vetronite; in questo caso possibile aumentare la distanza tra i risuonatori, riducendo la banda passante mantenendo la stessa perdita di inserzione

usare una configurazione pi complessa con le conseguenti difficolt di simulazione e di realizzazione del circuito stampato (potrebbero essere necessarie varie versioni di circuito stampato prima di ottenere un risultato accettabile)

una possibilit interessante da indagare potrebbe essere la realizzazione di una configurazione mista, inserendo una sezione a costanti concentrate tra varie sezioni in microstrip (nella configurazione a due risuonatori)

Ovviamente per la massima selettivit, la soluzione ottimale luso di filtri realizzati con cavit risonanti; per ulteriori dettagli consultare i testi citati in bibliografia.Per concludere, un cenno a dei possibili problemi di misura con i filtri stoppa banda con elevata attenuazione (maggiore di 40 dB): in questi casi il segnale generato dallanalizzatore di reti dovrebbe essere filtrato da un filtro passa basso per eliminare le armoniche presenti e che limiterebbero la dinamica di misura.

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